Page 36 - 网络电信2020年7月刊上

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、管-棒法 和粉末法 。尽管管-棒法和粉末法也能制备出 表 1 25/400 双包层掺 Tm 石英光纤的制备参数（1sccm=1mL/min）
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具有高掺杂浓度和折射率分布均匀的掺Tm 光纤，但目前基于这
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些方法制备的掺Tm 光纤搭建的光纤激光器系统最终获得的2μm
激光功率仍处于瓦级水平 [15-17] 。这主要是因为通过这些方法制
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备出的掺Tm 光纤的光纤尺寸或NA不能很好地与无源器件的尾纤
匹配，不利于全光纤化和功率放大。因此，目前实现数百瓦级
甚至更高功率全光纤TDFL的最佳途径还是采用MCVD方法制备的
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大模场掺Tm 光纤。比较国外的研究，国内高功率TDFL的发展相
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对较慢，且在掺Tm 光纤，尤其是用于高功率系统的大模场掺
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Tm 光纤的选用上长期依赖国外公司。国产掺Tm 光纤的制备主
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要有以下几个瓶颈：1）Tm 掺杂浓度不高，交叉驰豫效应得不
到增强，致使光纤效率较低 [18] ；2）掺杂均匀性较差，主要体现
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为光纤折射率剖面在横向和纵向上存在较大波动，使得掺Tm 光
纤的NA存在较大偏差，不能很好地与无源器件匹配，实现全光
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纤化结构 [19] ；3）可重复性较差，不同批次的掺Tm 光纤可能表 预制棒制备完成后，为了提高抽运光吸收率，将其打磨
现出较大的激光性能差异，这主要是由环境、仪器不稳定性及 加工至横截面呈八边形，在对其表面进行充分清洁后，置于拉
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参数调控等因素导致的。掺Tm 光纤作为TDFL搭建过程中不可缺 斯塔上进行拉丝和涂覆，拉丝温度设置在2000℃以上。拉制
少的核心材料，实现国产化，生产出能够代替国外产品的性能 出的双包层掺Tm 石英光纤横截面如图1内嵌小图所示，为八
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优良的大模场掺Tm 光纤是十分有必要的。 边形，实际测得的纤芯直径为24.75μm，内包层边-边距离为
本文采用MCVD方法结合溶液掺杂技术，并通过对制备过程 402.66μm。采用光纤分析仪（IFA-100）测得的25/400掺Tm 3+
中的关键参数进行优化，制备了一根高掺杂、高吸收系数的双 光纤的折射率剖面图如图1所示，折射率剖面中心的凹陷主要是
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包层大模场掺Tm 石英光纤。该光纤的芯/包尺寸约为25/400 由高温下掺杂物挥发造成的，测得纤芯折射率波动小于5.4×10
μm，对应的NA为0.1，纤芯中Tm 2 O 3 和Al 2 O 3 的掺杂浓度分别为 -4 ，显示出比较优良的均匀性 [16,24] 。通过对缩棒时的流量、温度
2.6Wt.%和1.01Wt.%，在793nm处测得的包层吸收为3dB/m。基于 以及管内压力等参数进行综合优化，可以进一步改善这种折射
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该大模场掺Tm 光纤，搭建了一个一级放大的MOPA系统，实现了 率剖面中心凹陷现象。
530W的激光输出，斜率效率为50%，工作波长为1980.89nm，在 3+
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输出功率为100W时测得的M 小于1.3。在实验过程中没有观察到 图 1 25/400 掺 Tm 双包层石英光纤的折射率剖面图，内嵌小图：横截面示意图
功率下降的现象，从光谱上没有观察到放大自发辐射和寄生振
荡现象。据我们所知，这是目前国内报道的TDFL实现的最高激
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光输出，同时实现了国产大模场掺Tm 石英光纤在制备技术上的
突破。

二、实验装置
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实验中使用的掺Tm 石英光纤预制棒采用MCVD工艺结合溶液
掺杂法制备而成，该工艺的基本流程可以总结为以下5个过程：
1）阻挡层和疏松层沉积；2）溶液浸泡和稀土离子掺杂；3）热
干燥；4）通气脱水；5）烧结成棒。关于光纤预制棒的详细制
备过程，许多文献都有介绍和描述 [20,21] ，在此不作赘述。值得
指出的是，由于会成为光纤的纤芯部分，疏松层的沉积温度非
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常关键，沉积的孔隙大小及其均匀度将直接影响Tm 的掺杂浓度 图2给出的是用电子探针微区分析仪（EPMA-8050G,
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和均匀性，也间接决定着掺Tm 光纤的激光性能，温度过高或过 SHIMADZU Co., Ltd.）对掺Tm 光纤进行线扫描分析得出的掺杂
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低都会导致疏松层质量下降。通过控制沉积趟次，可制备出不 元素的分布特性，扫描精度为0.2μm，可以看出，Tm 和Al 被
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同掺杂浓度的掺Tm 光纤。为了实现高的Tm 掺杂浓度，增强交 限制在直径为25μm的纤芯范围内。对光纤样品的定量分析测得
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叉驰豫效应，并避免由Tm 团簇引起的光子猝灭，在进行溶液掺 纤芯中Tm 2 O 3 和Al 2 O 3 的浓度分别为2.6Wt.%和1.01Wt.%。另外，
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杂时，有必要加入一定量的Al 作为分散剂，以提高Tm 离子的 采用截断法测得该掺Tm 石英光纤的包层吸收在793nm处为3dB/
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溶解度和分布均匀性 [22,23] 。因此，合适的TmCl 3 和AlCl 3 溶液配比 m，用光纤损耗分析仪（P104, Photon Kinetics Inc.）测得在
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及浸泡时间也能在保证掺Tm 光纤NA的前提下实现高掺杂浓度。 885nm处的包层背景损耗约为43dB/km。
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另外，进料速度，预烧结及烧结温度等参数也会对掺Tm 光纤的 全光纤结构MOPA系统的具体实验装置如图3(a)所示，包括
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性能造成较大影响。本文报道的Tm 光纤的相关制备参数如表1 振荡器和放大级两部分。振荡器由一对光纤布拉格光栅（fiber
所列。 Bragg grating，FBG）和8m上述自制大模场掺Tm 光纤组成，
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网络电信 二零二零年七月 55